燃料電池客車高壓絕緣方案對比研究

黃愛軍

（揚(yáng)州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225116）

1 燃料電池客車簡介

燃料電池基本原理是電解水的逆反應(yīng)，即把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極，放出電、熱并生成水［1］。燃料電池客車是在純電動(dòng)客車技術(shù)平臺(tái)上集成一臺(tái)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和供氫系統(tǒng)而成，增裝的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用于車輛行駛過程中功率和能量的補(bǔ)充［2］。燃料電池技術(shù)路線是與純電、混合動(dòng)力并列的新能源汽車三大技術(shù)路線之一，其具有效率高、無污染、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新能源汽車的終極環(huán)保技術(shù)［3］。

2 燃料電池客車高壓絕緣安全要求

高壓電安全是電動(dòng)客車關(guān)鍵特性之一，GB／T18384.3-2015電動(dòng)汽車安全要求第3部分 （人員觸電防護(hù)）［4］要求：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻最小值應(yīng)大于100Ω／V，交流電路最小值應(yīng)大于500Ω／V，如果直流和交流的B級（UDC＞60 V，UAC＞30 V）電壓電路可導(dǎo)電地連接在了一起，則必須滿足大于500Ω／V或交流電壓電路采取加強(qiáng)絕緣或附加防護(hù)措施后滿足大于100Ω／V。B級電壓防觸電安全原理如圖1所示。

防護(hù)原理簡述如下：人體觸電時(shí)，對人體產(chǎn)生傷害的是電流 （I），限制觸電電流I不超過安全值即可保證系統(tǒng)電安全。

式中：I——觸電電流；U——系統(tǒng)電壓；R——絕緣電阻；R1——觸電電阻。

GB／T3805-2008安全電壓［5］規(guī)定，人體觸電的安全電流是10 mA，交流電流對人體傷害大于直流電流。

圖1 B級電壓防觸電安全原理圖

按式 （1）計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)電壓為直流時(shí)，R＞100Ω／V，觸電人體電阻R1＞0，則：IDC=U／（R+R1）＜10 mA，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)系統(tǒng)電壓為交流時(shí)，R＞500Ω／V，觸電人體電阻R1＞0，則：IAC=U／（R+R1）＜2 mA?10 mA，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

3 燃料電池客車高壓絕緣方案研究對比

本文以YBL6818HFCEV燃料電池客車為例，對燃料電池客車幾種高壓絕緣方案進(jìn)行研究對比，擇優(yōu)選用，并探討技術(shù)改進(jìn)的方向。

YBL6818HFCEV配置一臺(tái)30kW氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，采用兩只140片電堆串聯(lián)，額定功率下電堆輸出180VDC，系統(tǒng)輸出576VDC。根據(jù)電動(dòng)汽車安全技術(shù)要求，YBL6818HFCEV有3種方案進(jìn)行高壓絕緣適標(biāo)設(shè)計(jì)，分別介紹如下。

1）方案1：全車高壓絕緣達(dá)到500Ω／V，具體如圖2如示。

燃料電池客車系統(tǒng)中燃料電池、動(dòng)力電池等電源及儲(chǔ)能裝置屬直流電壓電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、方向助力電機(jī)、制動(dòng)打氣泵電機(jī)等屬于交流電壓電路。如果沒有特殊措施，屬于直流和交流的B級電壓電路可導(dǎo)電地連接在了一起，應(yīng)執(zhí)行500Ω／V的絕緣標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 方案1高壓絕緣示意圖

燃料電池系統(tǒng)由于雙極板材料受工藝限制，目前無法對冷卻水道進(jìn)行絕緣處理，整個(gè)系統(tǒng)的絕緣電阻受冷卻液電導(dǎo)率影響較大。經(jīng)檢測，280片石墨雙極板30 kW燃料電池系統(tǒng)絕緣阻值最高在400 kΩ左右，穩(wěn)定運(yùn)行一般在360 kΩ，并聯(lián)上車載其它高壓總成以后，整車絕緣阻值R1在310 kΩ左右，勉強(qiáng)達(dá)到整車300 kΩ （整車電壓平臺(tái)按600 V計(jì)算）要求，冗余量較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

2）方案2：對整車交流電壓電路進(jìn)行加強(qiáng)絕緣或附加防護(hù)后整車達(dá)到100Ω／V，具體如圖3如示。

圖3 方案2高壓絕緣示意圖

由于整車交流電壓電路包括電驅(qū)動(dòng)高壓電路，方向助力電機(jī)高壓電路及氣制動(dòng)空壓機(jī)高壓電路，布置分散、空間不規(guī)則、實(shí)施加強(qiáng)絕緣或附加防護(hù)難度較大且影響車輛維修接近性，施工及保持難度較大。

3）方案3：將燃料電池與其它高壓電路進(jìn)行隔離，各隔離區(qū)分別滿足絕緣標(biāo)準(zhǔn)，具體如圖4所示。

圖4 方案3高壓絕緣示意圖

由于采用隔離式DCDC，使得電堆部分直流電壓電路與車載其他B級交流電壓不發(fā)生可導(dǎo)電連接，則此部分電路按直流標(biāo)準(zhǔn)100Ω／V即可確保安全，另電堆輸出電壓較動(dòng)力平臺(tái)電壓較低 （YBL6818HFCEV為180VDC），按燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定絕緣電阻360 kΩ （實(shí)際測量值）計(jì)算：

遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值100Ω／V。

圖中R1部分為技術(shù)成熟可靠的純電動(dòng)零部件總成，組成系統(tǒng)后實(shí)測絕緣阻值約1 800 kΩ左右：

R1=1 800 kΩ ／600 V=3 kΩ／V

遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值500Ω／V。

由于R1及R2均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值，所以系統(tǒng)穩(wěn)定，安全性高。但是，這種方案也存在以下缺點(diǎn)：①成本高，整車系統(tǒng)需兩套絕緣監(jiān)測設(shè)備，比第1、第2方案增加一倍；②效率低，由于隔離式DCDC效率總體低于非隔離式DCDC，導(dǎo)致系統(tǒng)總體效率偏低；③體積大，由于隔離式DCDC體積比非隔離式DCDC偏大，導(dǎo)致整車布置難度變大。

4 結(jié)論及技術(shù)展望

對比以上3種方案，優(yōu)選系統(tǒng)穩(wěn)定、安全性高的第3方案，且采用隔離方案后，系統(tǒng)的EMC性能也得到較大改善。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，近來出現(xiàn)了在雙極板冷卻水道表面及散熱器水道內(nèi)壁涂絕緣層的技術(shù)探索［6］，相信隨著新材料新技術(shù)的不斷應(yīng)用，燃料電池客車高壓絕緣將會(huì)出現(xiàn)更可靠、更安全、更易實(shí)現(xiàn)也更經(jīng)濟(jì)的方案。